＊孫宇格 陳林 姚楠 趙春全 胡楠

（中北大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 山西 030051）

染料主要應(yīng)用于染色紡織纖維，賦予生活的色彩。近年來，隨著紡織印染工業(yè)的迅速發(fā)展，染料廢水的排放日益增多，大量染料廢水排放到各類水體中，造成水資源的嚴重污染，也對人類的健康造成極大的威脅[1]。染料廢水具有復(fù)雜的物理和化學(xué)成分，色澤深、臭味大、生物毒性強，難以降解，如不妥善處理，將對生態(tài)環(huán)境造成破壞。隨著我國對水資源的保護力度不斷加大，處理染料廢水是十分必要的。

如今，已有多種方法用于去除染料廢水中的污染物，如混凝沉降法、吸附、離子交換、生物降解、泡沫分離等[2]。在眾多方法中，泡沫分離技術(shù)（Foam fractionation）依據(jù)表面吸附原理進而實現(xiàn)溶液中溶質(zhì)或顆粒的回收和富集，其具有條件溫和、能耗小、易放大、分離效果好的優(yōu)點，是有效去除染料廢水的方法之一。由于染料不具有表面活性，因此需要向染料廢水中加入起泡劑和捕收劑進行泡沫分離。目前化學(xué)合成的表面活性劑常被用作起泡劑或捕收劑，盡管其應(yīng)用廣泛，但很難被生物降解、且具有毒性，而生物表面活性劑具有無毒無害、可生物降解、性能優(yōu)異等優(yōu)勢[3]，可被用作泡沫分離的新型助劑。

紫蘇籽（Perilla seeds，PS）是紫蘇的成熟果實，一般呈灰棕色或灰褐色的類球型，表面有花紋，壓碎有香味，可以入藥、作調(diào)料和防腐劑等。紫蘇籽中的蛋白質(zhì)（Perilla seed protein，PSP）含量約為20%～23%[4]，具有兩親的分子結(jié)構(gòu)，作為起泡劑能夠產(chǎn)生大量泡沫，作為捕收劑也能夠與染料進行有效結(jié)合，因此紫蘇籽蛋白可作為泡沫分離所需生物表面活性劑的來源之一。本文以堿性染料亞甲基藍（Methylene blue，MB）作為待去除染料，創(chuàng)新性地以紫蘇籽蛋白為起泡劑和捕收劑，通過研究PSP對MB泡沫性能和分離效果的影響，最終實現(xiàn)綠色高效處理染料廢水。

1.實驗

(1)實驗材料與儀器

PS由中北大學(xué)晉中產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院提供；亞甲基藍購于Adamas-beta公司；無水乙醇，磷酸均購于上海泰坦化學(xué)有限公司；氫氧化鈉，鹽酸均購于天津市化學(xué)試劑制造有限公司；牛血清蛋白購于阿拉丁試劑（中國）有限公司；考馬斯亮藍G-250購于北京謹明生物科技有限公司；所用試劑均為分析純。實驗所用模擬水樣的水質(zhì)情況如表1所示。

表1 MB模擬廢水水質(zhì)情況

FA1204B型電子天平（天津德安特儀器有限公司）；PHS-3C型pH計（上海儀分科學(xué)儀器有限公司）；SG-4050C型數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州國華儀器有限公司）；JJ-1A型數(shù)顯電動攪拌器（金壇市杰瑞爾有限公司）；UV-5200PC型分光光度計（上海元析儀器有限公司）；ACO-004型電磁式空氣壓縮機（饒平縣興成機電水族用品有限公司）；轉(zhuǎn)子流量計（天津河?xùn)|五環(huán)儀表廠）；SC-3416型低速離心機（中佳中科科教儀器有限公司）；LGJ-12N型真空冷凍干燥機（北京亞星儀科公司）；BJ-400型高速多功能粉碎機（萊州市恒達塑料機械有限公司）；JK99B型表面張力儀（上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）；BT100-2J型蠕動泵（保定蘭格恒流泵有限公司）。

(2)紫蘇籽蛋白的提取方法

先將紫蘇籽用高速多功能粉碎機粉粹，再過60目篩得到紫蘇粉。參照張可可[4]的方法制備紫蘇籽蛋白，首先將紫蘇粉溶解于pH為7.0～11.0的NaOH的水溶液中，按200:1～700:1的液料比，在攪拌速度為250～450rpm和溫度為30℃的條件下攪拌2～20min來提取紫蘇粉中的蛋白，其次以3500r/min的條件離心20min獲得上清液，用稀鹽酸將其pH調(diào)整至4.4，隨后以2000r/min的條件離心10min，然后將得到的沉淀物用水洗出溶解，最后用稀堿液來調(diào)整溶液pH至中性，冷凍干燥后獲得紫蘇籽蛋白。

(3)紫蘇籽蛋白含量的測定

本實驗采用考馬斯亮藍G-250比色法來測定紫蘇籽蛋白質(zhì)含量，繪制牛血清白蛋白標準曲線，標準曲線回歸方程為：y=0.0066x+0.1285，R2=0.9998。

(4)紫蘇籽蛋白浸提液提取效果評價

以紫蘇蛋白提取率為參數(shù)對紫蘇籽蛋白提取率進行評價，其公式如下：

其中，Y為蛋白提取率，%；M1為提取物質(zhì)量，g；M2為紫蘇餅粕質(zhì)量，g。

(5)表面張力的測定方法

參照李遠非等[5]的方法來測定表面張力，首先將表面張力儀調(diào)零，將試樣放于樣品臺，升高樣品臺，使鉑金板浸入液面以下3mm左右，然后緩慢降低樣品臺使鉑金片與液面持平，待示數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)值，不清洗鉑金板，重復(fù)測定三次，取其平均值作為測定結(jié)果，且標準差不大于0.03mN·m-1。

(6)實驗過程

連續(xù)泡沫分離實驗是將不同PSP濃度與pH值的MB廢水通過蠕動泵以恒定流速從兩相（液相—泡沫相）交界處送入浮選塔。通過調(diào)節(jié)浮選塔底部閥門使殘液以恒定的流速排出，使兩相交界處維持在一定高度。壓縮空氣以200mL/min的速度由空氣壓縮機經(jīng)緩沖瓶、潤濕瓶、轉(zhuǎn)子流量計和氣體分布器泵入浮選塔內(nèi)。隨著泡沫層的上升，泡沫流入塔頂?shù)氖占?，進行消泡，待泡沫不再溢出時停止實驗。實驗分離裝置如圖1所示，浮選柱由透明有機玻璃制成，底部是由燒結(jié)玻璃制成的氣體分布器，浮選柱內(nèi)由液相和泡沫相兩相組成，其截面直徑為45mm，總高度為1000mm。

圖1 連續(xù)泡沫浮選裝置示意圖

(7)泡沫性能檢測方法

泡沫性能測試參照胡楠等[6]的方法，向透明有機玻璃柱中加入200mL的紫蘇籽蛋白溶液，以300mL·min-1的恒定速率向溶液鼓入氣體，記錄60s內(nèi)產(chǎn)生的泡沫高度Hf和泡沫相下降到一半高度所需的時間T1/2。

(8)亞甲基藍濃度的測定方法

亞甲基藍濃度的測定方法參照李偉等[7]的方法，在波長665nm下，使用紫外-可見分光光度計測量吸光度，通過標準曲線計算得到亞甲基藍的濃度。其中標準曲線為A=0.2014CMB-0.007，R2=0.9997，A為吸光度，CMB為亞甲基藍濃度。

(9)泡沫分離去除染料的效果評價

泡沫分離去除染料效果由去除率RMB、富集比EMB、吸附密度Γ和持液率εout四個參數(shù)進行評價，定義如下：

其中，C0、Cr、Cf和Cf1分別為原料液、殘液、消泡液和1min內(nèi)消泡液亞甲基藍染料濃度，mg·L-1；V0、Vr、Vf、Vf1和VG分別為原料液、殘液、消泡液、3min內(nèi)消泡液和3min內(nèi)氣體流過的氣體體積，mL；Qf為消泡液的體積流率，mL·min-1；d為氣泡直徑，mm。通過對泡沫相拍照，使用軟件Nano Measurer 1.2對照片處理，隨機選取100個氣泡，計算平均值，得到氣泡平均直徑。

2.實驗結(jié)果與討論

(1)不同提取時間與pH對PSP提取率的影響

如圖2（a）所示，PSP提取率在pH值小于9.0時，隨pH值的升高而提高，在pH值等于9.0時提取率達到最大值40.26%，在pH值大于9.0時隨pH值的升高而減少，這是因為PSP在堿性條件下能夠更好的溶解在溶液中，但過強的堿性會使少量PSP變性失去生物活性，導(dǎo)致提取率降低。PSP提取率隨時間的變化趨勢為：先不斷增加，在8min后維持在40.2%左右，上下波動不超過0.5%，此現(xiàn)象的原因是隨著攪拌時間加長，堿提液中的PSP在8min時已經(jīng)將大部分的PSP溶出，且攪拌時間過長時，細胞內(nèi)水解蛋白質(zhì)的酶也隨之溶出，PSP的分子結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性[4]。

圖2 pH與提取時間(a)和液料比與攪拌速度(b)對PSP提取率的影響

(2)不同液料比與攪拌速度對PSP提取率的影響

如圖2（b）所示，PSP的提取率隨液料比的變化有先不斷增加后維持穩(wěn)定的規(guī)律，在500:1后PSP提取率基本維持不變，為42.1%。PSP的提取率隨攪拌速度的變化有先不斷增加后下降的規(guī)律，在350rpm的攪拌速度下PSP的提取率達到42.1%；在較低的攪拌速度下，提取液體系的物料無法達到均勻狀態(tài)，PSP不能完全溶出，所以PSP提取率較低；在較高的攪拌速度下，劇烈的機械攪拌會對提取液體系施加較大的剪切力，PSP的結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致PSP變性失活，從而降低PSP提取率。

綜上，確定適宜的提取條件為：pH值9.0、液料比500:1mL/g、提取時間8min、攪拌速度350rpm，該條件下紫蘇籽蛋白提取率為42.1%。

(3)PSP對泡沫分離MB過程中的泡沫性能的影響

表面張力的下降是起泡的前提，本節(jié)就不同濃度PSP對MB廢水表面張力進行測量，結(jié)果如圖3（a）所示；通過泡沫高度Hf和泡沫半衰期T1/2評價不同PSP濃度對MB廢水的靜態(tài)泡沫性能的影響，結(jié)果如圖3（b）所示。由圖3（a）可知，未添加PSP的MB廢水表面張力為72.8±1.9mN·m-1，與蒸餾水的表面張力近似相等；加入PSP后，MB廢水表面張力隨著PSP濃度的升高降低，當(dāng)PSP濃度達到300mg·L-1，廢水表面張力趨于穩(wěn)定；該現(xiàn)象是由于MB溶液無表面活性，加入PSP后其可自發(fā)吸附在氣液界面，發(fā)生構(gòu)象變化和分子重排、造成表面張力的降低[8-9]。當(dāng)PSP濃度繼續(xù)升高時，PSP形成膠束，表面張力不再降低。如圖3（b）所示，未添加PSP的MB廢水由于MB無表面活性，泡沫高度和半衰期均為0；加入PSP后泡沫性能明顯增加，隨著PSP濃度的升高，MB廢水的Hf和T1/2也呈上升趨勢。該現(xiàn)象是因為PSP吸附在氣液界面上時，表面張力隨之降低，起泡更加容易，此時PSP在氣液界面上聚集，使蛋白質(zhì)吸附層厚度增加，從而增強泡沫穩(wěn)定性[8,10]。

圖3 MB廢水的表面張力（a）和MB廢水的起泡性和穩(wěn)泡性（b）與PSP濃度的關(guān)系

(4)PSP濃度對MB泡沫分離效果的影響

本節(jié)通過去除率RMB、富集比EMB、吸附密度Γ和持液率εout評價不同濃度PSP對MB捕收效果的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4（a）可以看出，隨著PSP濃度的增加，RMB迅速上升，在PSP濃度為500mg·L-1后穩(wěn)定在92.3%；從圖4（b）可以看出，EMB首先呈現(xiàn)快速上升趨勢，達到峰值后其下降速率越來越慢；從圖4（c）、（d）可以看出，εout和Γ均呈現(xiàn)上升的趨勢，εout上升速率逐漸緩慢，而Γ上升速率越來越快。

圖4 PSP濃度對RMB(a)、EMB(b)、Г(c)和εout(d)的影響

RMB和Γ增加是由于PSP濃度提高，其表面活性增大，與MB結(jié)合的位點增多，氣液界面吸附的PSP-MB相應(yīng)增大[11]。對于EMB來說，首先出現(xiàn)快速上升趨勢是因為PSP濃度較低，泡沫穩(wěn)定性較差，聚并和粗化程度高，泡沫層夾帶液回流較快[12-13]，隨PSP濃度的增加，泡沫穩(wěn)定性提高，抑制泡沫層夾帶液的回流，大量溶液被帶入泡沫中，造成EMB降低。εout增大是隨著PSP濃度的升高，增加夾帶液的黏度，夾帶液的流動減小[13]，使夾帶液體積增大。本節(jié)綜合考慮RMB和EMB，選擇500mg·L-1作為合適的PSP濃度進行后續(xù)的實驗。

(5)pH值對PSP泡沫分離MB效果的影響

據(jù)文獻報道蛋白質(zhì)分子的帶電性是影響其在氣-液界面吸附和聚集的關(guān)鍵因素，而蛋白質(zhì)的帶電性受pH影響[12]，因此本節(jié)研究MB廢水的pH值對MB分離效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 pH對RMB(a)、EMB(b)、Г(c)和εout(d)的影響

從圖5（a）、（b）可以看出RMB、EMB隨pH值的增加而升高，RMB呈現(xiàn)出先增長、在pH值9.0后維持穩(wěn)定的趨勢。從圖5（c）、（d）可以看出Γ、εout隨pH值的增加而降低，二者隨pH值的增加，Γ降低速率越來越慢，εout呈相反趨勢。PSP的PI（等電點）為4.9，當(dāng)溶液pH＞4.9時，PSP表面帶負電荷；當(dāng)溶液pH＜4.9時，PSP表面帶正電荷[14]。MB作為堿性陽離子染料表面帶正電荷，在pH較低時，PSP表面帶正電荷，PSP與MB之間相互排斥，隨著溶液pH值增大，PSP與MB通過靜電作用結(jié)合，所以RMB增加。此外EMB快速增加，εout和Γ呈現(xiàn)相反下降趨勢的原因是隨pH的增加，PSP表面所帶電荷增加，蛋白質(zhì)分子間靜電斥力增強，從而降低了PSP在氣液界面上的吸附，造成起泡性與穩(wěn)泡性降低，消泡液體積相應(yīng)減少[12]。

本節(jié)通過評估RMB、EMB、Γ和εout，選擇10.0作為合適的泡沫分離MB的pH值。

3.結(jié)論

本文以去除水溶液中的MB為目的，從農(nóng)產(chǎn)品PS中分離提取得到PSP，創(chuàng)新性地將其作為一種用于浮選MB的起泡劑和捕收劑。紫蘇籽蛋白提取結(jié)果表明，在pH值9.0、液料比500:1mL/g、提取時間8min、攪拌速度350rpm的條件下紫蘇籽蛋白提取率為42.1%。泡沫分離實驗結(jié)果表明在PSP濃度500mg·L-1、pH值10.0、Cr低至5.5×10-1mg·L-1、RMB為94.6%、EMB為78.8。本文提出了一種綠色、高效的泡沫浮選工藝來處理MB廢水，為以PSP作為起泡劑和捕收劑處理染料廢水中MB提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。